大型較深水導管架封隔器結構設計和制作工藝

李懷亮 李新超 孫建幫 馬美琴

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451； 2.衡橡科技股份有限公司，河北 衡水 053000)

樁基固定式導管架建造時，導管架與鋼樁間的連接多采用栓接、水泥漿段連接等多種形式。隨著導管架向著多元化、綜合化、深水化的發展，水泥漿段連接方式優勢愈加明顯，封隔器的密封水泥漿的能力，已逐漸成為影響深水導管架安裝成敗的核心因素。目前，國內導管架安裝采用的封隔器主要為被動式封隔器和主動式封隔器兩種，深水導管架均使用主動式封隔器。但國內尚無廠家對主動式封隔器進行設計、制作，國內使用的主動式封隔器全部依賴進口。本文針對主動式封隔器的外形結構、內部結構、制作工藝等進行了研究和探討，希望能為國內該種產品的獨立設計制作積累經驗。

1 大型深水導管架封隔器

目前，國內外大型深水導管所使用的封隔器均為主動式封隔器。主動式封隔器的基礎結構為一個被安裝在裙樁套筒內部底部的可膨脹的復合囊體，通過向其內部充入氣體或液體使其膨脹，復合囊體將擠滿裙樁套筒和鋼樁間的間隙，從而使得其上部的水泥漿不會流入海底。

1.1 常用主動式封隔器的結構

封隔器包括：復合囊體、氣嘴和閥塊、壓緊結構、充壓管線、單向閥、ROV備用結構、其他附屬結構等。主體結構如圖1所示。

1.2 封隔器的使用工況

在建造場地時，未鼓起的復合囊體被焊接在導管架裙樁套筒內壁底部的壓緊結構固定，復合囊體下部安裝有擋泥環。導管架安裝時，封隔器處于海底，鋼樁穿過其內部被打入海底；灌漿前，安裝在導管架頂部的充壓裝置，將海水、氮氣等通過管線沖入復合囊體內部使其鼓起，復合囊體與鋼樁表面的摩擦力和壓板對復合囊體的拉力二者共同作用，使得封隔器可以支撐住其上部的水泥漿重量。

封隔器的設計充入壓力，根據封隔器所處的水深、上部水泥漿重量、復合囊體與鋼樁表面摩擦系數等眾多因素共同決定。一般的，封隔器的所處位置越深、上部水泥漿高度越大，復合囊體的設計充入壓力越大。

目前國內設計施工的較深水導管架設計水深正逐漸趨近于300 m，灌注水泥漿的高度可達30 m。以海水密度1.05 g/cm3水、泥漿密度1.92 g/cm3對封隔器所受外部壓力進行初步估算，海水壓力和水泥漿重力對封隔器的壓力可高達6 MPa～7 MPa。

1.3 封隔器各部件功能

封隔器主體結構和核心部件為復合囊體。氣嘴、管線、充壓裝置等為鼓起的復合囊體提供內壓；爆破片、單向閥等防止復合囊體內壓力的降低；ROV備用管線等為管線破損的意外工況提供便利。因此，復合囊體的密封性能、可靠程度是封隔器功能實現的最關鍵因素。

2 復合囊體設計

復合囊體的結構本質是一個可以通過充水、充氣而膨脹的囊。值得一提的是，車輛內胎、橡膠氣囊、氣球等均是初級理論結構參考模型。經過強度計算和材料的優選，我們將復合囊體優化為如圖2所示的由高彈性密封內膽、骨架支撐層、抗破損外層、固定端等四部分組成的高分子復合筒體。

2.1 高彈性密封內膽

高彈性的密封內膽是用于密封充入封隔器內部的氣體、海水等介質的彈性體層。該層具有良好的拉伸性能、密封性能，當海水或氣體沖入該層內部時，該層可以充壓脹大。

理論上，僅高彈性密封內膽即可使封隔器實現功能，但海底工況復雜，內膽的內部壓力或高達6 MPa，我們常見的密封較好的橡膠材料在6 MPa拉伸應力時，應變或將達到150%，產品整體被拉伸膨脹，抗破損能力很差。

2.2 骨架支撐層

骨架支撐層設計要考慮到封隔器的使用實際工況。灌漿前，封隔器應一直處于縮扁狀態，且封隔器厚度不得大于導向板厚度，以保證下落的鋼樁不會刺破“待命”狀態的封隔器。打樁完成灌漿前，密封內膽充壓鼓起，將骨架支撐層由扁型撐起成橢圓形。

設置骨架支撐層的目的是限制高彈性密封內膽充壓狀態下的擴張，提高復合囊體的剛度和挺性，是復合囊體充壓后的主要受力層。支撐層所用到的骨架材質有很多，可以為金屬板材、簾子布、高分子板材或其他滿足強度要求的材料或結構。但值得注明的是，封隔器需進行多次生產廠內實驗、建造場地密封檢驗，這就要求骨架層具有易復原的特性。

2.3 抗破損外層

抗破損外層設置的目的是為復合囊體提供保護。保證在生產、存放、運輸、實驗、落樁、灌漿過程中，骨架支撐層不會被腐蝕、劃傷、刺破、燙傷、污染等。同時，抗破損外層是封隔器與鋼管樁的接觸面，它還承擔著密封該接觸面的作用，因此抗破損外層首選的是橡膠材質。

2.4 固定端

壓緊裝置是將復合囊體上的滑移固定端壓緊、固定、限位在裙樁套筒內壁的裝置。固定端是復合囊體與壓緊裝置間的傳力機構，其自身的結構強度及與復合囊體的連接強度是固定端設計關鍵。同樣的，固定端也應具備柔性、易恢復的特性，以便于在陸地試驗后封隔器的復原。

3 復合囊體的制作工藝

組成復合囊體的高彈性密封內膽、骨架支撐層、抗破損外層、固定端等四部分的功能各不相同，其材質、尺寸、形狀、制作工藝也各有不同。材質是影響復合囊體制作工藝的關鍵因素。

3.1 復合囊體的彈性體選材

天然橡膠具有優良的綜合性能，在常溫狀態就有很好的彈性和抗撕裂性能，其恢復能力優異。通過防老化體系的加入，天然橡膠的使用壽命可達數十年，耐海水腐蝕性能也能滿足封隔器在海水中短期浸泡的需求。我們將天然橡膠作為抗破損外層的首選材料。

值得一提的是，天然橡膠上的不飽和雙鍵使它能與鋼板、鋁板、人造絲、尼龍、鋼絲等都有良好粘結效果。若需要將骨架支撐層與抗破損外層連接固定在一起，天然橡膠是良好的“粘結劑”。

丁基橡膠氣密性好，常被用作內胎、水胎、氣球、化工襯里等部件。但彈性較差，粘著性差，若用于制作高彈性密封內膽，骨架支撐層對其的限位功能應做重點考慮。

聚氨酯的拉伸強度高、伸長率大，氣密性優異，并且有著優異的可加工性能和粘結性能。聚氨酯的加入，人工涂刷、真空導入等工藝的使用，或可使復合囊體一次性成型變得相對簡易。

3.2 復合囊體的骨架選材

骨架的選擇是材料選型的重要部分，材料強度、可加工性、柔性、可恢復性等都將限制材料的選取。

首先是金屬板材，經過計算和試制試驗，金屬的板材或是剛度太大無法加工、或強度太低。隨即我們考慮到金屬編織網類，將金屬絲進行編織，是可以滿足需求的。但對比進口同類產品，金屬網類挺性較大，重量較高，不易安裝和使用。高分子骨架，例如人造絲、尼龍、滌綸、芳綸、腈綸等可契合復合囊體的骨架。我們通過將尼龍等材質制作成簾布、編織成網套及各種編織布，生產出了強度高且柔性好易加工的骨架支撐層。

碳纖維作為強度和模量最高的工程材料，是優異的骨架制作材料。

3.3 一次成型工藝

一次成型即將復合囊體各層一次性制作完成，一次成型工藝的優勢在于各層之間貼合緊密，產品尺寸控制精準，制作周期相對較短。一次成型過程中，若能將復合囊體各層全部良好的粘結為一個整體，實現在封隔器充壓脹大過程中，各層統一發生變形，封隔器承壓能力將達到最優。因為此種工藝，制作過程中實現了內膽和骨架的完美貼合，可以完全避免內膽在脹大不均勻工況時，內膽無法良好的撐起骨架的工況，又可保證各層間不會因尺寸偏差而形成不可接受的間隙。但是一次成型工藝在制作過程中對選材和工藝有極高的要求。內膽與骨架、骨架與外層、外層與固定端間的粘結將是很大的挑戰，良好的基材、合適的粘合劑是必不可少的。而且因一次成型，內膽成型時的狀態難以直觀的看到，厚度均勻、致密度高、硫化完全的內膽是封隔器充壓鼓起的基礎條件。在一次成型的制作過程中，蒸汽硫化、模壓硫化均是可行的；手工鋪設、擠出成型、纏繞成型、真空導入成型等制作方案可根據骨架的形式進行合理的選取。

3.4 多次成型工藝

多次成型與一次成型是相對的，多次成型即是將各層進行分別的制作而后進行組裝。多次成型無需考慮各層成型時的工藝沖突，可針對性的進行各層制作工藝的設計，保證各層達到最優的制作形態。

4 結語

封隔器作為導管架的關鍵部件之一，對海洋大型較深水導管架的安裝有很重要的意義。單純依賴進口產品，無法對封隔器的內部結構、材料選擇、生產工藝等進行系統化的設計和研究，勢必將會成為我國導管架向著深水化、大型化方向發展的阻礙因子。因此，本文首先對現有封隔器的內部結構進行了了解，在此基礎上對結構設計和工藝研究進行分析和探討，希望能夠為今后我國大型深海導管架用封隔器的設計和制作提供參考。